La dureza de los aceros y sus soldaduras
Una propiedad que por excelencia define a los aceros es la dureza.
Esta se determina como la cualidad del material, acero y su soldadura (con o sin material de aporte) en este caso, a la resistencia a agresiones físicas tales como la penetración, la abrasión y raspaduras.
La dureza viene a ser calculada por distintos métodos de ensayo y es uno de los parámetros de mayor importancia para la selección y el control de calidad de los metales y sus soldaduras.
La razón de la importancia de estos ensayos destructivos en los materiales soldados radica en analizar cómo la dureza se ve afectada durante el proceso por la composición de los materiales base y de aportación, los propios efectos metalúrgicos inherentes a la soldadura y el tratamiento térmico (además de otros muchos factores que intervienen en el proceso), y que pueden alterar de forma drástica las propiedades mecánicas iniciales de las que partimos.
Ensayo de dureza
El ensayo de dureza permite valorar la fuerza, resistencia y ductilidad el acero, así como si el acero, material de aporte de aporte o tratamiento aplicado son los adecuados para el proyecto a realizar.
Dicho ensayo viene a ser definido como “una evaluación que permite determinar la resistencia de un material permanente mediante la penetración de otro material más duro”. Los factores que nos ayudan a determinar los valores de este ensayo son: La carga aplicada, el penetrador, su geometría y el tiempo de carga.
Estos ensayos, para su realización, consisten en aplicar fuerza y presión de un penetrador con geometría y carga específica sobre el material a evaluar.
El valor de la dureza viene a ser indicado por la profundidad que el penetrador deja en la probeta (Rockwell), o midiendo el tamaño de la impresión dejada en ella (Vickers, Brinell).
Para la selección del método de ensayo se han de tener diferentes consideraciones entre las que destacan:
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El tipo de material a ensayar
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La homogeneidad o heterogeneidad del material
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La dureza aproximada
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Tipo de soladura y material de aporte
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La precisión necesaria del ensayo
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Si es necesario cumplir alguna normativa
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El tamaño de la pieza
Hay tres tipos de ensayo de uso común: Ensayos de dureza Rockwell, ensayos de dureza Brinell y ensayos de dureza Vickers.
1. Ensayos de dureza Rockwell (HR)
Es un “ensayo rápido” para el control de la producción y lectura directa principalmente en materiales metálicos. Por contra, es menos exacto que los ensayos Brinell y Vickers.
Este tipo de ensayos mide la profundidad del penetrador sobre el material a ensayar. Los penetradores pueden ser de dos tipos, bola de tungsteno (HRc ; para materiales blandos HV<150-200) y cono de diamante (HRb ; para materiales duros HV>200-250) y sus cargas principales de ensayo van de entre los 15 Kp a los 150 Kp (15 ; 30 ; 45 ; 60 ; 100 y 150 Kgf)
En el ensayo hay tres fases de carga del penetrador contra el material a:
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Precarga: 10 Kilopondios (Kp)
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Carga: 150 Kp (en HRc) o 100 Kp (en HRb)
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Lectura: una nueva carga de 10 Kp
Para el caso del cálculo de dureza Rockwell HRb, el proceso y fórmula se repite de la misma forma, sustituyendo el penetrador de bola de tungsteno por el de cono de diamante.
2. Ensayos de dureza Brinell
Estos ensayos fueron usados por primera vez en el año 1800, por el ingeniero sueco que le dio nombre (Johan August Brinell). El método consistió en el uso de un cojinete de bolas férreas para golpear el material con el fin de poder medir su huella. Pese a su antigüedad, sigue siendo un método de ensayo muy usado en el entorno de los aceros y sus soldaduras para evaluar la dureza del material de aporte. Es un ensayo muy fiable y oficializado desde el año 1900.
Para realizar este ensayo se utiliza una maquina de ensayo de dureza Brinell, la cual aplica una fuerza (F) presionado una bola de carburo de tungsteno sobre al material a ensayar. Es un ensayo de dureza por penetración, donde esta cualidad es inversamente proporcional al tamaño de la impresión sobre al material a ensayar.
Los tamaños normalizados del penetradores son de 1; 2,5 ; 5 y 10 mm, con los que se aplican unas fuerzas (F) de 1 Kgf a 3000 Kgf contra el material base. Cuando aplicamos F con la bola de tungsteno sobre el material soldado, esta acción deja una huella en forma de casquete esférico.
La dureza Brinell se expresa como HB, es la medida entre la carga aplicada F y la superficie de la huella del casquete esférico. El valor de la F aplicada, se calcula con la fórmula F=K x D² donde K es una constante que depende de cada material (en el caso de aceros y su soldadura el valor aplicado es 30) y D es el diámetro de la bola del penetrador; para el cálculo de la superficie S del casquete se aplicará S=π x D x f
De tal forma; la dureza Brinell (HB) equivale a: HB = F/S = F/(π x D x f)
3. Ensayos de dureza Vickers
Ensayos de gran versatilidad y usados tanto en macro como en micro ensayos de dureza. De amplio rango de carga e idóneo para multitud de materiales y aplicaciones.
El ensayo de dureza Vickers en el entorno de la soldadura es a menudo considerado como el más sencillo de utilizar. Los cálculos requeridos para calcular la dureza Vickers son independientes al tamaño del penetrador (de diamante piramidal de 136˚). Dicho penetrador se puede usar en todos los materiales si tener en cuenta la dureza de estos. Al igual que los ensayos Brinell, el ensayo Vickers es un ensayo de dureza por penetración, donde esta cualidad es inversamente proporcional al tamaño de la impresión sobre al material a ensayar. A diferencia del Brinell, Vickers es de uso común en ensayos de dureza alta debido a la tendencia que se da en Brinell a falsear los resultados a partir de 300Hb.
La dureza Vickers se expresa como HV, es la medida entre la carga aplicada (F) y la superficie de la huella de la pirámide invertida. El valor de la F a aplicar sobre el material o soldadura a ensayar oscila entre los 1 y los 120 kilopondios, siendo la medida de 30 Kp la más usada. Para el cálculo de la superficie de la huella (S) se aplicará S=4 x Striángulo
En este caso, para el cálculo de S nos apoyaremos en Pitágoras y en la trigonometría. Conociendo la longitud de la base de la huella y el ángulo de la pirámide (136º), podemos concluir que el tamaño de la huella es S= d² / (2 sen 68º )= d² / 1,854
De tal forma, la dureza Vickers (HV) equivale a HV = F/S =1,854 x F / d²
